Motor de quatro tempos

Ciclo de quatro tempos, usado em motores a Diesel/gasolina. 1 - Admissão, 2 - Compressão, 3 - Explosão (Combustão), 4 - Exaustão. O lado direito azul é a admissão e o lado esquerdo do castanho é o escape. A parede do cilindro é uma camisa fina rodeada de líquido de arrefecimento.

O motor de quatro tempos (também conhecido como ciclo de quatro tempos) é um motor de combustão interna em que o pistão completa quatro cursos separados que compõem um único ciclo termodinâmico. Um curso refere-se ao curso completo do pistão ao longo do cilindro, em qualquer direção. Os quatro cursos separados são denominados:

ADMISSÃO: Este curso do pistão começa no ponto morto superior. O pistão desce da parte superior do cilindro para o fundo do cilindro, aumentando o volume do cilindro. Uma mistura de combustível e ar é forçada pela pressão atmosférica (ou maior por alguma forma de compressão de ar) no cilindro através da válvula de entrada.
COMPRESSÃO: com as válvulas de admissão e escape fechadas, o pistão volta à parte superior do cilindro, comprimindo a mistura de ar ou combustível-ar na cabeça do cilindro.
COMBUSTÃO: Este é o começo da segunda revolução do ciclo. Enquanto o pistão está perto do ponto morto superior, a mistura de ar comprimido-combustível é inflamada, por vela de ignição em motores a gasolina, a qual inflama devido ao calor gerado pela compressão em motor a diesel. A pressão resultante da combustão da mistura combustível-ar comprimido força o pistão para baixo em direção ponto morto inferior.
EXAUSTÃO: durante o curso de escape, o pistão volta mais uma vez ao ponto morto superior enquanto a válvula de exaustão é aberta. Esta ação expele a mistura ar-combustível irradiado através de válvulas de escape.

História

Ciclo de Otto

Ver também

Fabricação de um motor Otto de 1920 E.U.

Nikolaus August Otto Jovem era um vendedor ambulante de uma loja de mercearia. Em suas viagens, ele encontrou o motor de combustão interna, construído em Paris por um imigrante belga Jean Joseph Etienne Lenoir. Em 1860, Lenoir criou com sucesso a motor de dupla ação que funcionava a gás de iluminação com 4% eficiência. O 18 litro Motor Lenoir produzia apenas 2 cavalos-vapor. O motor Lenoir funcionava a gás de iluminação, fabricado a partir do carvão, que tinha sido desenvolvido em Paris por Philip Lebon.^[1]

Em testes de uma réplica do motor Lenoir em 1861 Otto tornou-se ciente dos efeitos da compressão sobre a carga de combustível. Em 1862, Otto tentou produzir um motor para melhorar a eficiência pobre e a fiabilidade do motor Lenoir. Ele tentou criar um mecanismo que pudesse comprimir a mistura de combustível antes da ignição, mas falhou, porque o motor rodava não mais que alguns minutos antes da sua destruição. Muitos outros engenheiros estavam tentando resolver o problema, sem sucesso.^[1]

Em 1864, Otto e Eugen Langen fundaram a primeira empresa de produção de motor de combustão interna, NA Otto and Cie (NA Otto and Company). Otto and Cie succedeu na criação de um motor atmosférico bem sucedido naquele mesmo ano.^[1] A fábrica ficou sem espaço e foi transferida para a cidade de Deutz, Alemanha em 1869 onde a empresa foi renomeada para Deutz Gasmotorenfabrik AG (The Deutz Gas Engine Manufacturing Company).^[1] Em 1872, Gottlieb Daimler foi diretor técnico e Wilhelm Maybach era o chefe engenheiro do motor. Daimler era um armeiro que tinha trabalhado no motor Lenoir . Em 1876, Otto e Langen conseguiram criar o primeiro motor de combustão interna comprimindo a mistura de combustível antes da combustão para uma eficiência muito maior do que qualquer mecanismo criado nessa altura.

Daimler e Maybach deixaram seus empregos na Otto e Cie e desenvolveram o primeiro motor Otto de alta velocidade em 1883. Em 1885, eles produziram o primeiro automóvel a ser equipado com um motor de Otto. O Daimler Reitwagen usou um sistema de ignição de tubo quente e o combustível conhecido como ligroina para se tornar o primeiro veículo do mundo, alimentado por um motor de combustão interna. Era um motor de quatro tempos, com base no motor de Otto. No ano seguinte, Karl Benz produziu um automóvel com motor de quatro tempos que é considerado como o primeiro carro. ^[2]

Em 1884, Otto's company, tambêm conhecida como Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), desenvolveu a ignição elétrica e o carburador. Em 1890, Daimler e Maybach formaram uma companhia conhecida como Daimler Motoren Gesellschaft. Agora, é a Daimler-Benz.

Ciclo de Atkinson

O motor de ciclo Atkinson é um tipo de traço único motor de combustão interna inventado por James Atkinson em 1882. O ciclo de Atkinson foi projetado para oferecer eficiência em detrimento da densidade de potência e é usado em algumas aplicações elétricas híbridas modernas.

O motor a pistão de ciclo Atkinson original permitiu a admissão, compressão, explosão e exaustão do ciclo de quatro tempos ocorrer em uma única volta do eixo de manivela e foi projetado para evitar infringir certas patentes cobrindo os motores de ciclo Otto.^[3]

Devido ao design exclusivo do virabrequim do Atkinson, sua taxa de expansão pode diferir de sua taxa de compressão e, com a potencia de seu curso de compressão, o motor pode alcançar uma maior eficiência térmica que um motor a pistão tradicional. Enquanto Atkinson é um design original não é mais que uma curiosidade histórica, muitos motores modernos usam o sincronismo da válvulas não convencionais para produzir o efeito de uma menor compressão aumentando o curso, modificando o avanço da ignição realizando assim, economia de combustível e melhorias do ciclo de Atkinson.^[4]

Ciclo de Diesel

O motor diesel é um refinamento técnico do motor ciclo Otto 1876. Onde Otto tinha percebido em 1861 que a eficiência do motor poderia ser aumentada comprimindo a mistura de combustível antes da sua ignição, Rudolph Diesel queria desenvolver um tipo mais eficiente de motor que pode funcionar com combustível muito mais pesado. O Lenoir, Otto Atmosférico, e motores Otto Comprimidos (ambos 1861 e 1876) foram criados para trabalhar com Gás de iluminação (gás de carvão). Com a mesma motivação que Otto, Diesel queria criar um mecanismo que dê sua própria fonte de energia para poderem competir contra grandes empresas e como Otto para fugir da obrigação de estar vinculado a uma fonte de combustível municipal pequenas empresas industriais. Como Otto, demorou mais de uma década para produzir o motor de alta compressão que poderia inflamar o combustível só pulverizado no cilindro. Diesel usado um spray de ar combinado com combustível no seu primeiro motor. Durante o desenvolvimento inicial, um dos motores de explodiu e quase o ia matando. Ele persistiu e finalmente criou um motor em 1893. O motor de alta compressão, que inflama o combustível pelo calor de compressão é chamado agora o motor Diesel seja um projeto de quatro tempos ou dois tempos.

O motor diesel de quatro tempos tem sido usado na maioria de aplicações resistentes por muitas décadas. Ele usa um combustível pesado que contém mais energia e exigindo menos refinamento para produzir energia. Os mais eficientes motores de ciclo Otto têm perto de 30% de eficiência.

Análise termodinâmica

O diagrama idealizado de quatro estágios do ciclo de Otto:
diagrama p-V : o estágio de admissão (A) Através da combustão do combustível, calor é adicionado em um processo isocórico , seguido por um processo adiabático de expansão, caracterizando o ciclo de compressão (B) Através da combustão do combustível, calor é adicionado em um processo isocórico, seguido por um processo adiabático de expansão, caracterizando o ciclo de força (C) (combustão). O ciclo é fechado pela
exaustão (D) , caracterizada por processo de refrigeração isocórica e compressão isobárica.

A análise de termodinâmica dos ciclos de quatro tempos ou dois tempos reais não é uma tarefa simples. No entanto, a análise pode ser simplificada significativamente se suposições padrão do ar^[5] forem utilizadas. The resulting cycle, which closely resembles the actual operating conditions, is the Otto cycle.

During the normal operation of the engine as the fuel mixture is being compressed an electric arc is created to ignite the fuel. At low rpm this occurs close to TDC (Top Dead Centre). As engine rpm rises the spark point is moved earlier in the cycle so that the fuel charge can be ignited while it is still being compressed. We can see this advantage reflected in the various Otto engines designs. The atmospheric (non-compression) engine operated at 12% efficiency. The compressed charge engine had an operating efficiency of 30%.

Fuel Considerations

The problem with compressed charge engines is that the temperature rise of the compressed charge can cause pre-ignition. If this occurs at the wrong time and is too energetic, it can damage the engine. Different fractions of petroleum have widely varying flash points (the temperatures at which the fuel may self-ignite). This must be taken into account in engine and fuel design.

The tendency for the compressed fuel mixture to ignite early is limited by the chemical composition of the fuel. There are several grades of fuel to accommodate differing performance levels of engines. The fuel is altered to change its self ignition temperature. There are several ways to do this. As engines are designed with higher compression ratios the result is that pre-ignition is much more likely to occur since the fuel mixture is compressed to a higher temperature prior to deliberate ignition. The higher temperature more effectively evaporates fuels such as gasoline, which increases the efficiency of the compression engine. Higher Compression ratios also mean that the distance that the piston can push to produce power is greater (which is called the Expansion ratio).

The octane rating of a given fuel is a measure of the fuel's resistance to self-ignition. A fuel with a higher numerical octane rating allows for a higher compression ratio, which extracts more energy from the fuel and more effectively converts that energy into useful work while at the same time preventing engine damage from pre-ignition. High Octane fuel is also more expensive.

Diesel engines by their nature do not have concerns with pre-ignition. They have a concern with whether or not combustion can be started. The description of how likely Diesel fuel is to ignite is called the Cetane rating. Because Diesel fuels are of low volatility, they can be very hard to start when cold. Various techniques are used to start a cold Diesel engine, the most common being the use of a glow plug.

Design and engineering principles

Power output limitations

The maximum amount of power generated by an engine is determined by the maximum amount of air ingested. The amount of power generated by a piston engine is related to its size (cylinder volume), whether it is a two-stroke or four-stroke design, volumetric efficiency, losses, air-to-fuel ratio, the calorific value of the fuel, oxygen content of the air and speed (RPM). The speed is ultimately limited by material strength and lubrication. Valves, pistons and connecting rods suffer severe acceleration forces. At high engine speed, physical breakage and piston ring flutter can occur, resulting in power loss or even engine destruction. Piston ring flutter occurs when the rings oscillate vertically within the piston grooves they reside in. Ring flutter compromises the seal between the ring and the cylinder wall, which causes a loss of cylinder pressure and power. If an engine spins too quickly, valve springs cannot act quickly enough to close the valves. This is commonly referred to as 'valve float', and it can result in piston to valve contact, severely damaging the engine. At high speeds the lubrication of piston cylinder wall interface tends to break down. This limits the piston speed for industrial engines to about 10 m/s.

Intake/exhaust port flow

The output power of an engine is dependent on the ability of intake (air–fuel mixture) and exhaust matter to move quickly through valve ports, typically located in the cylinder head. To increase an engine's output power, irregularities in the intake and exhaust paths, such as casting flaws, can be removed, and, with the aid of an air flow bench, the radii of valve port turns and valve seat configuration can be modified to reduce resistance. This process is called porting, and it can be done by hand or with a CNC machine

Supercharging

One way to increase engine power is to force more air into the cylinder so that more power can be produced from each power stroke. This can be done using some type of air compression device known as a supercharger, which can be powered by the engine crankshaft.

Supercharging increases the power output limits of an internal combustion engine relative to its displacement. Most commonly, the supercharger is always running, but there have been designs that allow it to be cut out or run at varying speeds (relative to engine speed). Mechanically driven supercharging has the disadvantage that some of the output power is used to drive the supercharger, while power is wasted in the high pressure exhaust, as the air has been compressed twice and then gains more potential volume in the combustion but it is only expanded in one stage.

Turbocharging

A turbocharger is a supercharger that is driven by the engine's exhaust gases, by means of a turbine. It consists of a two piece, high-speed turbine assembly with one side that compresses the intake air, and the other side that is powered by the exhaust gas outflow.

When idling, and at low-to-moderate speeds, the turbine produces little power from the small exhaust volume, the turbocharger has little effect and the engine operates nearly in a naturally aspirated manner. When much more power output is required, the engine speed and throttle opening are increased until the exhaust gases are sufficient to 'spin up' the turbocharger's turbine to start compressing much more air than normal into the intake manifold.

Turbocharging allows for more efficient engine operation because it is driven by exhaust pressure that would otherwise be (mostly) wasted, but there is a design limitation known as turbo lag. The increased engine power is not immediately available due to the need to sharply increase engine RPM, to build up pressure and to spin up the turbo, before the turbo starts to do any useful air compression. The increased intake volume causes increased exhaust and spins the turbo faster, and so forth until steady high power operation is reached. Another difficulty is that the higher exhaust pressure causes the exhaust gas to transfer more of its heat to the mechanical parts of the engine.

Rod and piston-to-stroke ratio

The rod-to-stroke ratio is the ratio of the length of the connecting rod to the length of the piston stroke. A longer rod reduces sidewise pressure of the piston on the cylinder wall and the stress forces, increasing engine life. It also increases the cost and engine height and weight.

A "square engine" is an engine with a bore diameter equal to its stroke length. An engine where the bore diameter is larger than its stroke length is an oversquare engine, conversely, an engine with a bore diameter that is smaller than its stroke length is an undersquare engine.

Valve train

The valves are typically operated by a camshaft rotating at half the speed of the crankshaft. It has a series of cams along its length, each designed to open a valve during the appropriate part of an intake or exhaust stroke. A tappet between valve and cam is a contact surface on which the cam slides to open the valve. Many engines use one or more camshafts “above” a row (or each row) of cylinders, as in the illustration, in which each cam directly actuates a valve through a flat tappet. In other engine designs the camshaft is in the crankcase, in which case each cam contacts a push rod, which contacts a rocker arm that opens a valve. The overhead cam design typically allows higher engine speeds because it provides the most direct path between cam and valve.

Valve clearance

Valve clearance refers to the small gap between a valve lifter and a valve stem that ensures that the valve completely closes. On engines with mechanical valve adjustment, excessive clearance causes noise from the valve train. A too small valve clearance can result in the valves not closing properly, this results in a loss of performance and possibly overheating of exhaust valves. Typically, the clearance must be readjusted each 20 000 milhas ({{#invoke:Math|precision_format| 32 186,88 | 1−4 }} km) with a feeler gauge.

Most modern production engines use hydraulic lifters to automatically compensate for valve train component wear. Dirty engine oil may cause lifter failure.

Energy balance

Otto engines are about 30% efficient; in other words, 30% of the energy generated by combustion is converted into useful rotational energy at the output shaft of the engine, while the remainder being losses due to waste heat, friction and engine accessories.^[6] There are a number of ways to recover some of the energy lost to waste heat. The use of a Turbocharger in Diesel engines is very effective by boosting incoming air pressure and in effect provides the same increase in performance as having more displacement. The Mack Truck company, decades ago, developed a turbine system that converted waste heat into kinetic energy that it fed back into the engine's transmission. In 2005, BMW announced the development of the turbosteamer, a two-stage heat-recovery system similar to the Mack system that recovers 80% of the energy in the exhaust gas and raises the efficiency of an Otto engine by 15%.^[7] By contrast, a six-stroke engine may reduce fuel consumption by as much as 40%.

Modern engines are often intentionally built to be slightly less efficient than they could otherwise be. This is necessary for emission controls such as exhaust gas recirculation and catalytic converters that reduce smog and other atmospheric pollutants. Reductions in efficiency may be counteracted with an engine control unit using lean burn techniques.^[8]

In the United States, the Corporate Average Fuel Economy mandates that vehicles must achieve an average of 35.5 miles per gallon (mpg) compared to the current standard of 25 mpg. As automakers look to meet these standards by 2016, new ways of engineering the traditional internal combustion engine (ICE) could have to be considered. Some potential solutions to increase fuel efficiency to meet new mandates include firing after the piston is farthest from the crankshaft, known as top dead centre, and applying the Miller cycle. Together, this redesign could significantly reduce fuel consumption and NOx emissions.

Starting position, intake stroke, and compression stroke.

Ignition of fuel, power stroke, and exhaust stroke.

References

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 [1], NA Otto Museum.
↑ Ralph Stein (1967). The Automobile Book. Paul Hamlyn Ltd
↑ US 367496, J. Atkinson, "Gas Engine", issued 1887-08-02
↑ {{#invoke:Citar web|web}}
↑ Best Place for Engineering and Technology, Air Standard Assumptions.
↑ Otto Engine Efficiency, Efficiencies of Internal Combustion Engines.
↑ BMW Turbo Steamer Gets Hot and Goes, Autoblog, December 9, 2005.
↑ Air pollution from motor vehicles By Asif Faiz, Christopher S. Weaver, Michael P. Walsh

General sources

{{#invoke:Citação/CS1|citation

|CitationClass=book }}

scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
{{#invoke:Citação/CS1|citation